（机械制造及其自动化专业论文）基于acis的钣金cadcam理论与原型系统研究.pdf

摘要 基于a c i s 的钣金c a d c a m 理论与原型系统研究 研究生：薛翔导师：许超 学校名称：东南人学 摘要 作者基于a c i s 实体造型内核与s c h e m e 语言，从钣金零件自身的设计和制造特点出发， 对钣金c a d c a m 系统开发基础理论进行了深入研究。面向钣金件的冲切加，提出了将钣金 零件制造的经验知识与专业技术融入特征造型过群的方法。在此基础上，基丁= 实体建模开发 了智能钣金c a d c 删原型系统( s m a r ts h e e tm e t a lp r o t o t y p es y s t e m - s s m ) 。 作者提出一种h b e r 混合实体造硝方法( h y b r i db - r e p s c s gf a b r i c a t i o nm 0 d e li n g r e p r e s e n t a t i o n ) 进行钣金冲压件实体模璎的有效构建。模犁基层采_ i j “b - r e p s 边界表示 法”进行描述，构建过程中采刚“c s g 构造实体几何”的造型方法，从而充分发挥了两种不 同实体造犁表示法备自的优势。在几何楔硝定义与操作上。根据钣金件的截面特征，采用扫 描实体建模s w e e p i n g 方法动态创建s s m 原犁系统中的基本几何体素。 基于混合实体造型h b c r 技术，通过提取钣金冲压件形状特征模犁，实现了基下特征的 钣金模型设计。经过对形状特征的有效功能扩展，使其具有一定一i ：艺语义，派生为一种全新 的p g st 艺几何实体特祉( p r o c e s sg e o m e t r i cs o l i df e a t u r e ) ，从而实现了s s m 原犁系统 中c a d 设计模块展开模块u n f o l d i n g 加i 模块c a m 这三者之间在数据表示和构造操作上 的一致性，实现了面向钣金零什制造的产晶设计( d 冈。d e s i g nf o rm a n u f a c t u r i n g ) ，为达 到钣金c a d c 碉应用上的集成建立了理论基础。 课题的研究为开发具有自主知识产权的钣金c a d c a m 系统提供了重要的理论基础和实践 经验。 关键字：c a d c a m c i sb - r e p s c s g混合实体造型方法特征设计钣金 a b s t r a c t a c i s b a s e dc a d c a ms y s t e mf o rs h e e tm e t a lf a b r i c a t i o n - - - - - - - - - t h et h e o r ya n di t sp r o t o t y p e b y x u e x i a n g s u p e r v i s e db yp r o f x uc h a o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a b s t r a c t s t a n d i n go nt h ed e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gf e a t u r e so fs h e e tm e t a lp a n s ，t h e a u t h o rh a sm a d ea ni n t e n s i v es t u d yo ft h ee s s e n t i a lt h e o r yf o rd e v e l o p i n gt h es h e e tm e t a l c a d c a ms y s t e mb a s e do nt h ek e m e io fa c i sa n di t ss c h e m e am e t h o do r i e n t e dp u n c h p r o c e s si sp r e s e n t e dw h i c hb l e n d se x p e r i m e n t a lk n o w l e d g ea n dp r o f e s s i o n a ls k i l l si n t o t h ep r o c e d u r eo ff e a t u r em o d e l i n g b a s e do nt h er e s e a r c h as o l i dm o d e l i n g b a s e d c a d c a mp r o t o t y p es y s t e mf o rs h e e tm e t a l ( s m a r ts h e e tm e t a lp r o t o t y p es y s t e m - s s m ) i sd e v e l o p e dd u r i n gt h es t u d y t h ea u t h o rd e s i g n e dan a v e lh y b r i ds o l i dm o d e l i n gm e t h o dc a l l e dh b c r h y b r i d b - r e p s c s gf a b r i c a t i o nm o d e l i n gm e t h o d o l o g y , w h i c hc a m b i g a s ”b - r e p s 。a n d 。c s g 。 m o d e l i n gm e t h o d s t oe f f e c t i v e l yc o n s t r u c tt h es o l i dm o d e lf o rs h e e tm e t a ip u n c h i n gp a r t s i no r d e rt oe f f e c t i v e l yu t i l i z et h ea d v a n t a g e so ft h e s et w oo r i g i n a lr e p r e s e n t a t i o n s b - r e p e d e f i n i t i o ni sa d o r e dt od e s c r i b et h eb o t t o md a t ao fas o l i dm a d e l ，a n dc s gm o d e l i n g m e t h o dt od e s c r i b et h em a k i n g u dp r o c e s s b a s e do nt h ec r o s s s e c t i o nf e a t u r ao fs h e e t m e t a lp a r t s ，s w e e p i n gm o d e l i n gm e t h o di sa p p l i e dt od e f t n ed y n a m i c a l l yt h eb a s i c g e o m e t r i cp r i m i t i v e si ns s mp r o t o t y p es y s t e m b a s e do nt h i sh b c r t h es h a p ef o a t u r e sa r ee x t r a c t e df r o ms o l i dm o d e if o rs h e e t m e t a lp u n c h i n g nt or e a l i z et h ef f e a t u m b a s e d 。m o d e l i n gd e s i g n i n t e g r a t e dw i t h n e o e a s a r yp r o c e s si n l b 帅a t i o n t h ef u n c t i o n a l l ye x t e n d e ds h a p ef o a t u r ee v o l v e si r i t ea t o t a ln e wp r o c e s s i n gg e o m e t r i cs o l i df e a t u r ep g s i tm a k e sac o n s i s t e n td a t af l o w a m o n gt h ac a dm o d u l e u n f o l d i n gm o d u l ea n dc a mm o d u l ei ns s m 。a n dr e a l i z e st h e c o n c a p to fd f m a i ia b o v ee s t a b l i s h e st h e o r e t i c a ip r i n c i p l e sf o rd e v e l o p m e n to ft h a j n t e g r a t i o nf o rs h e e tm e t a lc a d c a m r e s e a r c ho nt h i st o p i c p r o v i d e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lp r i n c i p l e s a n dp r a c t i c a l e x p e r i e n c e sf o rt h ed e v e l o p m e n to fs h e e tm e t a lc a d c a ms y s t e mw i t hi n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t s k e y w o r d s ：c a d c a m ，a c i s b r e p s c s g , f e a t u r e b a s e dd e s i g n ，s h e e tm e t a l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 一始华期：斗； 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 第一章绪论 1 1c a d 造型技术的发展 第一章绪论 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 技术开始丁关国麻省理l ：学院( m i t ) 旋风i 号所配置的图 形系统，以及m i t 林旨实验室的i e s u t h e r l a n d 发表的人机通信的图形系统博十论文。它 作为一种信息技术，将计算机的高速、海颦数据储存和数据挖掘能力与人的综合分析创造性 思维能力有机结台在一起，加速了j 科和产品开发，缩短暧计制造周期，提高产品质鼍，降 低成本。并且随着i n t e r n e t i n t r a n e t 网络以及并行、高性能计算和事务处理的j “泛应_ h j ， 异地、协同、虚拟设计，以及实时仿真技术也得剑了快速发展。 上世纪6 0 年代出现的线框( w i r e f r a m e ) c a d 三维造犁系统是根据自动化设计绘豳需求所 发展出来的。一个几何模型的线框架构仅仅是以单纯记录顶点、边线资料的表格来进行描述， 所以它只能袭达儿何形状中极为有限的基本儿何信息，根本就不能有效表达几何对象之间的 拓扑关联关系，本质上就是对i ：稃图纸中的三视图模式进行计算机模仿，无法完整的描述产 品零件模犁的士要信息，尤其是其表面信息。 又冈为几何形体的线框模型中只含有模捌的边线信息，它所包含的几何数据不够，造成 同一线框模犁可以具有多种不同的解释。线框模犁的显示方式引起的混乱，使得一个产品的 线框模璎往往需要设计者的额外解释或者添加一些视觉辅助线。基于线框的梭弛无法真正地 表示一个产品的模型，它无法实现实体模硝中的许多重要应用，例如体积的计算，两个物体 在同一空间中发生的干涉检验，对模犁表面进行渲染，光影处理等应用。 进入7 0 年代，也就是e 机和汽车制造业b 速发展的时期，线框模犁越来越无法适虑自 由复杂曲线曲面的设计要求，而且繁琐的建模过群大大阻碍了产品的快速研发。此时，法国 雷诺汽车制造公司的贝齐埃所提出的b e z i e r 造型方法使得在设计空间中的自由曲线曲面 时，其设计过柙北常的直观与方便，并且法国达索e 机制造公司基于b e z i e r 造硝方法开发 出以表面模穆为特点的自由曲面造犁方法，之后推出了三维曲面造璎系统c a t i a 这样，c a d 技术就进入到曲面模型设计阶段，曲面造犁系统所带来的技术革新，使得汽车制造业的设计 开发模式具有质的提高，所以在汽车l ：业界广为应用。此时舱u n i g r a p h i c s 基丁：曲面造型技 术发展c a m 技术，用以满足麦道公司b 机零部件的加1 ：需求 曲面造掣的研究对象为自由曲线曲面。其中，自由曲线通常是指不能用曲线、圆弧和二 次圆锥曲线描述的任意形状的曲线，其常用的构造方法为逼近与插值。随着计算机技术发展， 自由曲线在机器人轨迹规划、航空航天、汽车、船舶、模具等流线犁表面设计方面得到了广 泛应用，尤其是非均匀有理b 样条( n u r b s ) ，它不仅可以将规m 物体和自由形状物体使用统 一的数学模型进行描述，而且还可以精确表示而不仅仅是逼近规则形状的物体。从而为 c a d c _ i c a e 建立统一几何模犁提供了数学基础。 与自由曲线定义相似，所谓自由曲面是指不能用基本立体要素( 例如棱柱、棱锥，球体， 一般回转体、有界平面等) 来进行描述的呈自然形状的曲面，其必须根据空间自由曲线和自 由曲面理论进行计算。 曲面造型义称为表面造型，表面模犁是通过在线框模犁的基础上添加了面的信息。利用 表面模型，就可以对物体作剖面、消隐、获得n c 加i ：所需要的表面信息等。对一些复杂的 物体表面，如汽车车身、飞机机身、模具犁面，它们都表现为流线型瞬息万变的曲面形状。 曲面造型一直是c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 与c a g d ( c o m p u t e ra i d e dg e o m e t r i c d e s i g n ) 中最活跃、最关键的学科分支之一。其应用范围非常广泛，包括：飞机、汽车、船舶、 叶轮的流体动力学分析；家用电器、轻t 产品的上业造璎设计、服装、皮鞋的三维打样和款 式设计；山脉、水浪、云彩的自然景物模拟、地形、地貌、矿藏、石油分布的地理资源描述： 东南人学琐t 擘位论立 人体外貌和内部器官的c t 扫描数据二维重构；科学计算中的戍力，廊变、温度场、速度场 的直观显示等等。 对1 ：业界实际问题的解决不断促进了曲面造型技术的发展：1 9 6 3 年美国波音e 机公司 的佛格森将曲线曲面表示成参数父草函数形式，并用二次参数曲线构造组合曲线，_ i j 四个角 点的位置矢封及其西个方向的切父鼙定义二次曲面；1 9 6 4 年美国麻省理i ：学院的孔斯川封 f j j 曲线的四条边界定义一块曲面：1 9 4 6 年b 样条理论由舍恩伯格提出，1 9 6 7 年发表相关论 文；1 9 7 1 年法国雷诺汽车公司的b e z i e r 发表了一种刑控制多边形定义曲线和曲面的方法； 与此同时，法国雪铁龙汽车公司的德膏斯特里奥也独立地研究山与贝塞尔类似的方法；1 9 7 2 年，德布尔给出了b 样条的标准计算方法；1 9 7 4 年，美国通_ h j 汽车公司的戈登和里森费尔 德将b 样条理论_ i j 丁形状描述，提出了b 样条曲线、曲面；1 9 7 5 年，美国锡拉丘兹大学的 佛斯普里尔在其博+ 论文中提出了有理b 样条方法；8 0 年代后期，美国的皮格尔和蒂勒将 有理b 样条发展成为非均匀有理b 样条( n u r b s ) 方法，并已成为当前自由曲线和曲面描述 的最广为流行的技术，用n u r b s 统一地表示初等解析曲线、曲面以及有理与非有理b e z i e r 、 非有理b 样条曲线、曲面，通过调移控制顶点和权因子，灵活地改变曲面的形状，个别控制 顶点和权因子的调整只影响曲面形状的局部修改，b 样条基函数具有计算稳定、快速的优点。 n u r b s 曲面包含在由它的控制顶点所构成的凸包内，并且可以方便地等价转换成对应的贝塞 尔曲面，冈此拥有贝塞尔曲面的一切优异特性。_ i ；jn u r b s 曲面来表示自由曲面，解决了曲面 的完全确定及其数字化问题，使所有的i ：程形象在数学描述方面得剑统一，这使得有关曲面 的设计、分析与计算技术得到了更快地发展。 曲面模犁可以基本解决c 矗l l 技术，但曲面造型技术只能描述几何形体的表面信息，难以 准确表达产品零件的其它属性，例如质苗、重心、惯性矩等等，这一缺陷对于产晶的c a e 分析尤其不利。所以就出现了之后的实体造型技术。 实体( s o l i d ) ，也即一个在二维空间中封闭的形体。k e r n 与b l a n d 将实体定义为“在空 间中，由表面所包嗣着的任何有界区域”。其中最为简单的实体分别为球体( s p h e r e ) 、立方 体( c u b e ) 、圆锥体( c o n e ) 、圆柱体( c y li n d e r ) ，以及更为一般的多面体( p o l y h e d r o n ) 。而实 体儿何( s o l i dg e o m e t r y ) 则是几何学的一个分支，与平面几何( p l a n eg e o m e t r y ) 相对戍而存 在。其专rj 处理实体模犁对象。实体几何的研究对象包括了多面体( p o l y h e d r o n ) ，球体 ( s p h e r e ) 、三维实体、三维空间中的曲线、平面等。 上世纪6 0 年代初就提出“实体造型”的概念，由于当时在几何造型理论希i 应用实践上 都不够成熟。所以实体造型技术发展缓慢。当时日本的北海道大学冲野教郎( n o r i oo k i n o ) 教授将实体概念首先应用于几何造氆，并且进行了尝试，开发了t i p s 造犁系统( t e c h n i c a l i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs y s t e mf o rc o m p u t e r - a i d e dd e s i g n ) 。他由1 9 6 8 年开始，利用 代数方程来表示机械零件的规则曲亟形状，将空间位簧点的( x ，y ，z ) 坐标值代入曲面代数 方程中，由方程的计算结果是否大于0 、小于0 、还是等于0 来判别这个点是在曲面之外、 之内、还是之上；利用年直于x 、y 、z 坐标轴的二组密集平面去切割零仆模璎的所有表面， 利用得剑的交线消除掉隐藏部分之后就可以得到具有立体形状的零件模趔。 7 0 年代初出现了具有一定实用性的基于实体造型的简单c a d c 埘系统，因此实体造型 技术也得剑了相应发展。例如1 9 7 2 年美国罗切斯特( r o c h e s t e r ) 大学的沃尔克 ( h b v o e l c k e r ) 教授开发的p a d l ( p a r ta n da s s e m b l yd e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 系统。他将 体素拼合看作为一个集合运算过程，例如a 与b 两个正则集合，通过集合运算一“并、交、 差”得到另一个正则集合，并且试图为实体造型过程中的集合运算建立一个严密统一的体系 结构，使得模型体素拼合过程的算法实现可以表示为这一体系结构中的一系列形式化描述， 从而保证c a d 系统开发的有效性与可靠性其开发的p a d l 一2 0 系统在当时还被 u n i g r a p h i c e 、c a l m a 、a u t o - t r o l 作为自身c a d c l i 商品化设计系统中的实体造型模块。p a d l 2 第一章绪论 系统中的c s g 体素拼合_ 二叉树成为现在实体造型方法中记录体素拼合过稃的一种标准描述 形式。 此外，在1 9 7 3 年，英国剑桥人学c a d 实验室的布雷德( i a nb r a i d ) 发表了“d e s i g n i n g w i t h v o l u m e s ”搏十论文，提出了利用体素拼合来建立几何形状边界表示( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n s ，也即b - r e p s ) ，r 且开发出了b u i l d l 、b u i l d 2 两个原犁系统。但这些规 则形状的体素为利_ i j 参数方程表示的_ 二次圆锥曲面。在体素拼合过稃中，求出各个相贳表面 之间交线。沿交线将参与集合运算的西个体索组合为一个帮体，也郎b - r e p s 边界表示法， 它显式地表示是终拼合处理后的儿何形状的每个表面的有效边界范围，将实体模型中所有的 儿何元素通过指针关联为一个有机整体，这样就可以从其中任何一个元素开始，都可以完全 遍历剑实体模型中其它所有的几何元素。 在7 0 年代后期至8 0 年代初期，由于计算机技术的快速发展，使得实体造犁技术在理论， 算法，以及应用中逐渐成熟。在1 9 7 9 年，s d r c 公司发布了世界上第一个完全基于实体造型 技术的大型c a d c a e 系统一i - d e a s 。当时的实体模型是铍心来解决之前的表面模型技术在描 述几何形状中所存在的缺陷，也即表面模璎技术只能表达形体表面的几何信息，其难以准确 表达零件的其它特性，例如质颦、重心、惯性矩等，这对于零件的c a e 分析极为不利，表现 在前处理分析过稃1 f 常的困难由于在i d e a s 中采h j 实体模硝米表示几何形状，所以它能够 精确表达零件的全部相关属性，在理论上统一了c a d 、c a e 、c a m 各个应用域中的模型描述， 人为增强了c a d 设计过稃的效率 在此之后，实体造秘技术更加迅速地发展，并且出现了许多基于实体建模的几何造型内 核。其中，应用比较，“泛，技术相对成熟的两个内核分别为“a c i s ”与“p a r a s o l i d ”。 p a r a s o l i d 与a c i s 几何造型内核被不断地进行算法的优化内部体系结构的扩展，如 今两者已经成为主流c a d 商品化系统内部实体建模的主要标准，其中包括了c a t i a 、 s o l i d w o r k s 、u n i g r a p h i c s 、s o l i d e d g e 、a u t o c a d 等。 现在的一些赢端c a d 系统人都采j j 双内核设计( d u a l - k e r n e lm o d e l i n g ) ，将u g s 公司 的p a r a s o l i d 内核与s p a t i a l 公司的a c i s 内核有机地戍用丁二产品统一的设计过程中，其中 i r o n c a d 就采用这种烈内核策略。它本质上为一个混合造型器( h y b r i dm o d e l e r ) ，在实体 模犁构建过程中分别利用p a r a s o l i d 与a c i s 开发组件包中极其丰富的造型功能，在构建兵 体的复杂曲线曲面时选择最为合适的内核。其中一个内核在进行某种类，i ! l 几何形状的构造过 程中更为有利，而另一个内核可以提供更好的几何模型数据结构，双内核体系结构可以最大 限度地提供产品设计过程中的自由度。在。i r o n c a d8 0 ”设计环境f 所构建的实体模璎， 由p a r a s o l i d 内核创建的实体特征部分显示为米色，而由a c i s 内核刨建的特征部分显示为 灰色，在同一个c a d 设计环境卜| 创建由不同造璎内核所生成的模型部分。 目前，实体造型广泛应用了：产品的c a d 设计、物性计算、三维形体的f e a 、运动学、建 筑物设计、空问布置，计算机辅助加【制造，部什虚拟装配、机器人、电影制片计算中的三 维动画、特效镜头、景物模拟、医疗f ：稃中的立体截面检查等领域 从8 0 年代开始，为了更好地满足c i m s 技术发展需要，人们一直在研究可以更加完整地 描述物体信息的实体造犁技术。为了实现c a d c a m 技术之间的集成，满足自动化生产需要的 实体造犁技术必须考虑到例如筋条、倒角、圆角、孔、槽、凸台、轴、凸缘、吊耳、管道、 薄肇件，以及其它在加工过程中会使用到的各种加工过渡面上的几何形状信息与工程信息 特征造型正是为满足这一要求而提出来的 特征( f e a t u r e ) 是指产晶描述信息的集合，并可按照一定规则进行分类。特征概念使得 工稃师可以使_ i j 熟悉的专业术语与c a d 设计系统进行相互交流。纯粹几何的实体与曲面是十 分抽象的，将特征概念引入几何造型系统就是为了对实体几何附加必要的工程语义。常用特 祉信息主要包括： 东南人学倾i 学位论文 1 ) 形状特征：与公称几何所相关的概念； 2 ) 精度特征：可接受公称形状和人小的偏移量； 3 ) 技术特征：性能参数： 4 ) 材料特征：材料、热处理等条什； 5 ) 装配特征：零竹相关方向、相且作朋和配合关系。 特征造型技术所实现的功能如果利_ h j 基本儿何体素进行布尔运算操作来实现的话，可能 会复杂很多。例如，通孔可以利1 j 一个足够k 度的圆科= 进行布尔著运算得剑。如粟将零竹材 料加脖，而且此圆柱长度如果不够。此通孔就变成盲孔。但是通孔“特征”却可以理解它必 须彻底穿透零斜这一规则，所以不管零件发生如何变化，通孔特征都能完全穿透零件。此外， 特征还可以附加其它有用的属性信息( 例如密度、硬度，热传导系数等) 。 与传统儿何造璀方法相比，特征造犁具有以卜特点： 1 ) 特祉封装了其定义信息。特征一黾被定义，其内部几何拓扑结构就始终被认为是一个特 征( 例如孔、槽特征等) ，并且允许对其参数进行修改( 例如直径、深度、斜度等) ，并且具有 一定的行为规则，在模型实现过程中始终遵守这些规则。例如一个通孔始终为一个通孔，无 论零件被如何修改。 2 ) 特祉造犁使得产品设计可以在更高层次上进行，设计者的操作对象不再是原始线条与基 本体素，而是产品的功能要素，例如螺纹孔、定位孔、键槽等特征；这样更为符合设计人员 的思路，使得对于问题的描述更加直观，并且可以更为有效地捕捉到l 程设计的意图。例如 描述一个沉头孔，精确造型系统会将其描述为两相互关联着的圆柠实体，而特祉设计则将其 视为一个沉头孔特征。这样就使得所建立的产晶模型更加容易地被理解与编织生产，设计的 图样更易_ f 修改，从而设计者可以将更多精力应_ f j 在产品的创造性构思上。 3 ) 特征造犁有助丁：加强产晶设计，分析、工艺准备、加c 、检验各部fj 之间的联系，可以 更好地将产品的设计意图渗透剑各个后续环节中，并且及时得到反馈，例如j 稃分析( c a e ) 以及辅助加一t ：( c 枷) 应用过稃会自动获取零件中所定义的特征信息，人为提高其生产效率。 这也是开发新一代基于统一产晶信息模璀c a d c a p p c 删c a e p d m 集成系统的前提条件。 特征模，i ! 一方面包括了实体造型系统中的所有几何数据信息，另一方面义可以识别与处 理这些设计零饵时所使用剑的特征。从h j 户操作与图形显示上看，往往感觉不到特征模型与 实体模犁之间的不同之处，但其主要区别表现在c a d 系统内部的数据描述上。 传统的线框造型、曲面造型和实体造犁只提供了构成模型实体的几何数据，从中无法得 知具有 程语义的特祉信息，但可以从这些儿何数据中提取相关的特征，其中主要包括了“基 于特征设计”与“特祉识别技术”。 基于特征设计( f e a t u r e b a s e dd e s i g n ) 是一种前处理过程( p r e p r o c e s s i n g ) 。在利用特 征进行产捕模型设计对，c a d 系统已经预先定义好许多常蹦基本特征，并且这些特征的属性 都已被确定。并且存储在c a d 系统的特祉数据库中。在创建零件模硝时。设计者利用 “p i c k a n d d r o p ”技术进行自由设计一即从c a d 系统中的特征数据库选取模型构建时所需要 的特征，将其放置在设计空间中的适当位置，再将这些基本特征进行有机结合，从而生成最 终的产品模璎。 特征识别( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 是由产品零件的实体模型出发，将其内部几何模型中 的几何数据结构与预定义的特征类犁进行比较，确定相互匹配的特征实体，从而自动识别出 相应的具有一定f 稃语义的形状特征，进而生成产品零件的特征模型。 以特征为基础的造硝方法是c a d 建模方法的一个新里稗碑，它可以充分提供制造，分析 等后续环节中所需要的几何数据信息，从而可崩于制造可行性方案的评价、功能分析、过程 选择、工艺过稗设计等一t ：稃廊_ h j 环节。 所以，特征造型技术将会成为未来所有c a d 设计系统都要采用的核心技术。目前，软件 4 第一帝绪论 开发商与国际标准制定机构( 特别是p d e s s t e p 杯准) 止忙丁j 扩展特征的标准化定义”。 1 2 实体造型技术 几何形状的实体模犁描述方法土要有：s w e e p i n g 扫描表示法：b - r e p s ( b o u n d a r y r e p r e s e n t a t i o n s ) 边界表示法；c s g ( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ) 构造实体儿何表示法； 以及d e c o m p o s i t i o nm o d e l i n g 空间单元体表示法。 1 2 1s w e e p i n g 表示法 在c a d 设计系统中，许多儿何形状都为两维善几何实体( 2 5 d ) ，也郄由基本2 d 草图轮廓 利j j 一定的规则来生成二维儿何实体( 3 d ) 。 实体扫描表示法一般可分为二种类璎：平移扫描法、旋转扫描法、以及广义扫描法。 平移扫描法( t r a n s l a t i o n a ls w e e p i n g ) 是一种沿着空间某一运动轨迹移动某物体从而 定义新物体的扫描方法。最简单的平移扫描情况为：利_ f j 空问中一个二维区域( 二维截面) 沿 着一指定矢簧方向作直线运动来形成空间区域( 三维图形) 旋转扫描法( r o t a t i o n a ls w e e p i n g ) 是一种将一个二维区域( 二维截面) 罔绕空间中某一 轴线进行旋转从而定义新物体的扫描方法，其所生成的实体一般被称作为旋转体。 广义扫描法( g e n e r a ls w e e p i n g ) 是一种沿着空间中任意的轨迹路径移动某物体从而定 义新物体的扫描方法。 实体扫描表示方法非常适合予构建两维半几何实体，例如一个二维截面轮廓在一厚度方 向上保持不变的拉伸体，又或者是一个轴对称的几何旋转体前者可以利用平移扫描 ( t r a n s l a t i o n a ls w e e p ) 方法来生成，后者可以利_ l j 旋转扫描( r o t a t i o n a ls w e e p ) 方法来生 成 另外s w e e p i n g 实体扫描表示法还具有一些特殊优点： 1 ) 许多机加l ：对象都具有对称轴，并且可以被定义为两维半实体( 2 5 d ) 。 2 ) 在某些场合f ，s w e e p i n g 实体扫描表示与c s g 实体模型描述相比，其更为直观方便。( 例 如同转体零件) 。 3 ) 许多机加i ：过程( 例如车、铣削、钻孔、以及钣金件冲裁加工等) 都可以寅接映射为相戍 的s w e e p i n g 实体造型操作。 1 2 2b - r e p s 表示法 边界表示( b o u n d a r y - r e p r e s e n t a t i o n s ，也即b - - r e p s ) 实体造型方法是以物体边界为基 础，定义和描述几何实体形状的一种方法。它可以给出被描述物体的完绍、显式的边界表示。 其原理为：每一个物体都是由有限个面所构成，其中的每个面( 平面或者曲面) 也都是由有限 条边线所围成，这些有限个封闭区域之集合就构成了物体的实体模型。利用b - r e p s 实体模型 表示方法来描述几何实体，其必须满足一定条件：b - r e p s 实体模型中的有效表面必须为封 闭、有向、不自交、有限且相互连接着的，此外还可以区分实体的边界内、边界外，以及边界 上的点。 边界表示方法的本质为：点构成边、边构成面、那些面再构成实体。由于边界表示法可 以准确地描述构成物体表面边界的几何数据信息，所以对于几何模型的体积计算，干涉检验 等这些实体模犁应用都可以实现。 b - r e p s 实体模犁的几何结构可以使用“体表、面表、环表、边表，顶点表”这五个层 次来进行描述。体表描述的是几何模璎内部所包含的基本体素名称以及它们之间的相且位置 与拼合关系；面表描述的是几何模犁内部所包含的各个面、面的几何定义；其中，每个面都 有且只有一个外环，如果面的内部具有孔洞，则面还具有内环；环表描述的是环内部的边线构 5 东南人学坝i 学位论文 成；边表中包括直边、二次曲线边、二次样条曲线边，以及各种面相贯后所生成的高次曲线 边；j 负点表描述的是边的端点或者曲线上的删值点。】负点不允订弧立存在丁儿何模刑的内部 或者外部，它只能存在下儿何模犁的边界上。 所以，b - r e p s 边界表示法强调物体的表面细1 ，f 且建立了十分合理有效的几何挨到数 据当! i 构，将顶点、边、环、面、体的相关儿何数据信息分层记录，f ：且建立层与层之间严格定 义的笑联关系。其中每一层记录中的信息还包括两个相且独立但也相互关联的两部分，一组 为几何信息。另一纽则为拓扑信息。几何信息是指儿何元素住欧氏空问中的位管与人小，其中 包括点的坐标，曲线和曲面的儿何定义等；拓扑信息是指几何模聚内部顶点、边线、面的数 目、类删，以及相互之间的关联关系。根据这些定义准确的记录信息，就可以知道儿何形体的 表面范围以及其邻接情况。 边界表示法允许绝大多数有关几何形体结构的运算直接利用其面、边线、项点所定义的 数据结构来实现，这1 e 常有利f 生成和绘制线框图、投影图、有限元网格划分，以及儿何特性 计算，易于与- = 维c a d 系统很好地集成。 完整的边界是物体与周围环境的主要界面。它的外观决定于其表面特性：形状、颜色纹 理，即使是透明体，其表面边界也影响着光的反射等物理性质。物体的边界表面也是指它与其 它物体相互之间进行接触的部分。 因此，物体的实体模型边界表示在实际 程中得到了非常广泛的应用。 1 2 3c s g 表示法 构造实体几何表示方法( c o n s t r u c t i v es o l i dg e o m e t r y ，简称c s g ) 是在观察许多产品外 形的过稃中所提出来的。这是因为在观察的过程中，发现这些产品都是由各种简单几何形状 ( 例如球体、圆锥体、圆梓体、立方体) 的派生体有机组合在一起。实际上，产品零件的整个 设计过拌往往就是由一个简单块体开始，利_ | f j 其它类犁的简单几何形状来对其进行逐步地材 料增加或者材料减少操作，最后生成一个完整的产品几何形状。 c s g 实体造型方法中最常使用剑的基本几何体素为以下6 种： 立方体( b l o c k ) ，剧梓体( c y l i n d e r ) 、圆锥体( c o n e ) 、球体( s p h e r e ) 、楔状体( w e d g e ) ，以及 圆环体( t o r u s ) 。 c s g 实体模型中的这些基本几何体素必须为空间中的有限封闭集合。并且定义了其外在 边界与内部子集。 c s g 实体模型的一般构造过程为：先将这些经常使用到的基本几何体素以完全参数化的 形式预先构建好，并且存储在c a d 系统中，用户在建模过程中可以根据需要从c a d 系统中直接 调出这些预先构建好的基本几何体素，赋予必要的i ：艺儿何参数来进行基本体素的实例化操 作，再利用c s g 布尔运算操作集合进行实体模型的构建 一般的布尔运算操作集合包括了。并集”，“交集”与“差集”： 1 ) u n i o n ( 并操作) 一“a u b ”为一个点集，其不在a 集合中。就在b 集合中。 2 ) i n t e r s e c t i o n ( 交操作) 一“a n b ”为一个点集，其既在a 集合中，也在b 集合中。 3 ) d i f f e r e n c e ( 荠操作) 一“a _ b ”为一个点集，其在a 集合中，但不在b 集合中。 c s 6 几何模璎一般都采用树状结构来表示其实体构造过程。一个c s g 实体模型就为一个 c s g 二叉树，其末端节点为附加了相应空间矩阵变换的基本几何体素对象，其它中间节点则 为对应的布尔运算撵作，每一个分支交汇节点处都记录了几何对象相互之间的布尔运算操作 关系。利用c s g 树状结构图可以很清楚地描述一个几何实体模犁的具体构建过程。c s g 这种 实体造犁方法非常地直观，便于理解与虑_ l j ，对于构建复杂实体模裂非常有效。 另外，c s g 这种实体造型方法还特别适合应用于c a d 设计系统中的用户交互接口技术一预 先提供给设计者一组实体体素，或者允许设计者自行构建一个实体模型库，其中包括一些常 6 第一章绪论 用的实体特征几何形状，并且附加以标签来进行整理存储，这样就可以在卜一次构建产品模 犁时直接调_ l j 模删库中的这些实体体素，并且进行体素实例化操作，利川布尔返算操作交互 性地将这些几何对象有机组合在一起，从而快速便捷地创建出复杂对象模刑。此外，编辑一个 c s g 几何模型也很方便，例如修改一个孔的直径，只需要修改c s g 树状结构中端竹点上的圆柱 体体素的直行参数值即可。 对丁设计者在建模过稃中的输入而言，c s g 实体模刑中的基本几何体素需要伸置信息、 方位信息，以及几何数据信息；在执行布尔运算操作之前，经常要对基本体素进行平移或者旋 转空间变换处理米确定其确切位置，之后再对其转向来确定其在零件模型中的最终位置。 1 2 4d e c o m p o s i t i o nm o d e l i n g 表示法 空间单元体表示法也叫分割法。其基本思想是通过一系列空间单元构成的i 璺| 形来表示物 体几何形状的一种方法。这些单元为具有一定大小的平面或者立方体，在计算机内部主要通 过定义各单元的位置是否被实体 有来表达物体。 空间单元体表示法要求有大量的存储空间，同时其算法比较简单。可作为物理特性计算 和有限元网格划分的基础。 它的最人优点在于可以方便地进行局部修改以及进行几何运算，用来描述比较复杂，尤 其是内部有孔，并且具有凸凹等不规则表面的实体。 但是空间单元体表示法不能表达一个物体两部分之间的关系，也没有关于点、线、面的 概念。 1 3c a m 技术的发展 c a w ( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r i n g ) 技术是指利用计算机系统，通过计算机与加t 制 造设备之间直接或者问接的关系米进行产品零件的数控自动编拌、i ：艺过稃规划、制造加【= 过拌仿真、自动化装配、车间生产计划控制、制造过稃检测与故障诊断。 其中，数控自动编平早技术一直是c a d c a w 集成系统中的核心模块之一应用c a w 系统， 产懿制造i = 群师可以在产品零件的设计模璎上完成全部的加1 j 过稃模拟，选择并且优化零件 的具体加i ：方法通过对加：刀具轨迹的图形验证以判断加1 ：过群的有效性，从而实现产赫 的零件设计与加1 ：制造之间的有效集成。数控加l + 编稃系统的麻h j 可以大为缩短产晶的制造 周期，减少产鼎的准备时间，尤其对于批量小、周期短、外形复杂和精度要求高的产晶更具有 明显优势。 数控自动编稃技术自从数控机床出现之后就一直被用来辅助设计人员解决复杂零件的 数控加f ：编程问题，也就是“计算机辅助数控编程”它的发展主要经历了以f j l 个阶段”： 1 ) a p t 语言- 5 0 年代，由美国麻省理工学院开发。 2 ) a p t i i 、a p t i i i 6 0 年代，由麻省理工学院组织美国各大飞机公司共同开发。 3 ) a p t i v 、a p t 一 c 一7 0 年代，基于a p t i i i 。 4 ) a p t 衍生语言：如a d a p t 、e x a p t 、e x a p t - p 、姒t p 、f a p t 、i f a p t 、m o d a p t 、h z a p t 等。 5 ) c a d c a w 系统：具有计算机辅助设计和数控编程一体化功能。1 9 7 2 年，由美国洛克希德加 里福尼亚b 机公司最先开发。 6 ) c a t i a 系统：具有三维设计、分析与数控编程一体化功能。1 9 7 8 年，由法国达索公